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1.6: Superenrollamiento de ADN y topoisomerasas - Biología

1.6: Superenrollamiento de ADN y topoisomerasas - Biología


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El desenrollamiento de la hélice durante la replicación del ADN (por la acción de la helicasa) da como resultado superenrollamiento del ADN por delante de la bifurcación de replicación.

  • Este superenrollamiento aumenta con la progresión de la horquilla de replicación.
  • Si no se alivia el superenrollamiento, impedirá físicamente el movimiento de la helicasa.

La topología del ADN se puede describir mediante Tres parámetros:

  1. Número de enlace (L) Un valor entero. "Positivo" se denomina diestro.
  2. Giro (T) Un número real (el número de vinculación "aparente")
  3. Retorcerse (W) Un número real ("superenrollamientos" en la estructura del ADN)

Considere el ADN circular cerrado:

  • Número de enlace es un entero valor.
  • Se refiere al número de veces que las dos hebras del dúplex dan un giro completo de 360 ​​grados.

Para ADN circularmente cerrado, como el E. coli genoma, el número de enlace solo se puede cambiar si hacemos lo siguiente:

  1. romper físicamente el dúplex
  2. introducir (o eliminar) un Giro de 360 ​​grados
  3. ligar (cerrar covalentemente) la rotura.

Figura 1.6.1: Gira para cambiar el número de enlace

Experimento de la "hélice" del tubo de goma

Corte dos tramos de tubo de goma de 1/8 ", cada uno de aproximadamente 20" de largo. Inserte un trozo de tubo más pequeño o un trozo de punta de pipeta en los extremos para permitir que los extremos se conecten. Estas dos piezas de tubo de goma representan cada hebra de un dúplex de ADN. El ADN se puede ligar o unir cuando tenemos extremos 5 '(fosfato) y 3' (hidroxilo). Por lo tanto, necesitamos una forma de realizar un seguimiento de qué extremo es cuál para cada pieza de tubería.

  1. Puede escribir "5" y "3" en los extremos opuestos de cada pieza y alinearlos en direcciones opuestas, o
  2. En una pieza de tubo, marque ambos extremos con un marcador. Solo se pueden ligar los extremos de colores similares (consulte el diagrama anterior)

Esto le permitirá mantener la "orientación" correcta de las hebras cuando "ligue" las hebras del dúplex.

  • Introduzca un número de enlace = +2 (dos giros de 360 ​​° con la mano derecha en el dúplex)
  • luego "ligue" los extremos (asegúrese de mantener la orientación de la hebra, es decir, conecte las dos hebras correspondientes).

Confirme que se ha introducido el número de enlace correcto "fundiendo" el dúplex en un lado y forzando todos los giros en una pequeña región del dúplex (fácil de contar de esta manera).

  • Confirme que mirando hacia abajo de la hélice en los giros que están "diestro" (no importa en qué dirección mire hacia abajo de la hélice).

Tenga en cuenta que el "dúplex" cuando se sostiene entre el pulgar y el índice y se deja colgar, prefiere una topología "superenrollada", en lugar de "relajada" [Nota: esto generalmente se ve con tubos muy delgados, los tubos de mayor diámetro pueden no adoptar fácilmente este topología].

  • Confirme que las "superenrollamientos" son en realidad zurdo a medida que mira hacia abajo las superenrollamientos (independientemente de la dirección hacia abajo de los superenrollamientos).
  • Lo más probable es que el "superenrollamiento" sea un total de 360 ​​°, en lugar de 180 °. En cualquier caso, sujete los extremos del dúplex de modo que haya un "superenrollamiento" de 360 ​​° para zurdos.
  • Ahora, cuente cuántas veces se cruzan los hilos del "dúplex". En esta conformación, las hebras del "dúplex" serán no en realidad se cruzan entre sí (Nota: es posible que tenga una hebra que se cruce y luego se descruce, para un resultado neto de no cruce).

Por lo tanto, en respuesta a la introducción del número de enlace +2, el "dúplex" puede adoptar "superenrollamientos" de +2 (180 °), de modo que el resultado número aparente de vinculación (es decir. "giro"valor) de las dos hebras es cero

Nota

Un superenrollamiento se considera positivo, si es "zurdo").

  • Eliminar uno "positivo"superenrollamiento desenrollando por 180°.
  • Ahora sostenga los extremos del "dúplex" y cuente el número de vinculación aparente (es decir. "giros"). Habrá un solo diestro"giro".
  • Por tanto, una única superenrollamiento "positiva" de 180 ° tiene el efecto de eliminar una única torsión "positiva" (es decir, reduce el número de enlace aparente en 1).

los Retorcerse número se refiere al número de superenrollamientos presentes.

  • Aunque pueda parecer que la consecuencia de introducir superenrollamiento (Escritura) está cambiando el número de vinculación, No lo es.
  • La consecuencia de Writhe es que el Giro (aparente número de enlace) está alterado (aumentado o disminuido).

El ADN tiene una preferencia Valor de "giro" (número de enlace aparente preferido) para una longitud especificada de ADN:

  • El modelo de Watson y Crick del dúplex de ADN tenía 10 pares de bases por turno.
  • En condiciones fisiológicas de sal (NaCl 0,15 M) y temperatura, El ADN prefiere adoptar alrededor de 10,6 pb / turno.
  • Writhe se introduce en el ADN para lograr este valor para el "Twist" (número de enlace aparente)

Para un número de enlace dado (fijo) sobre una longitud determinada de ADN, el ADN puede adoptar superenrollamientos positivos o negativos para lograr un "giro" (número de enlace aparente) de modo que haya 10,6 pares de bases / vuelta.

El número de enlace no cambia con el superenrollamiento (solo puede cambiar rompiendo el dúplex)

  • Writhe tiene el efecto de cambiar el número de vínculo aparente.
  • Una superenrollamiento se define como capaz de cambiar el número de enlace aparente en +/- 1.

El valor de torsión (número de enlace aparente) para una longitud determinada de ADN está relacionado con el número de pares de bases por turno que el ADN quiere adoptar:

Número de enlace = (tamaño del ADN en pares de bases) / (pares de bases / turno) + Escritura

o

Número de enlace = # de giros + retorcimiento

esto generalmente se abrevia como

Enlace = Twist + Writhe

L = T + W


Por ejemplo, si tenemos una molécula de ADN cerrada circularmente con una longitud de 5300 pares de bases y una conformación preferida de 10.6 pares de bases por vuelta, ¿puede lograr esta conformación sin tener que introducir ningún superenrollamiento (es decir, retorcerse)?

Número de enlace aparente (Twist) = (5300 pares de bases) / (10,6 pares de bases / turno)

Número de vinculación aparente (Twist) = 500

En otras palabras, para lograr la conformación deseada de 10,6 pb / vuelta en la hélice, se requieren exactamente 500 vueltas en la longitud de 5300 pares de bases.

Número de vinculación = 500 + Escritura

Podemos tener valores integrales para el número de enlace, y ciertamente podemos introducir 500, lo que no requeriría ninguna escritura:

500 = 500 + 0

¿Cuál es la molécula de ADN de 5200 pares de bases?

Número de enlace aparente (Twist) = (5200 pares de bases) / (10,6 pares de bases / turno)

Número de vinculación aparente (Twist) = 490,6

Podemos introducir 490 o 491 como número de vinculación, pero no 490,6. ¿Qué sucede si hay un número de ligamiento de 490 en la molécula de ADN?

Número de enlace = Twist + Writhe

490 = 490.6 + Escritura

Retorcerse = -0,6

En este caso, el ADN adopta un superenrollamiento negativo de 0,6 (aproximadamente 108 ° de un superenrollamiento de la mano derecha) que aumentará el número de enlace aparente de 490 a 490,6 (y alcanzará 10,6 pares de bases por vuelta en el dúplex).

¿Cuántos pares de bases por turno habría en el ADN si el ADN no pudiera adoptar ninguna estructura de superenrollamiento para esta longitud de ADN con un número de enlace de 490?

Número de enlace = Twist + Writhe

490 = Girar + 0

Giro = 490 vueltas

Twist = (5200 pares de bases) / (bp / turn) = 490 vueltas

pb / turno = 5200 pares de bases / 490 vueltas

pb / vuelta = 10,61

Hay un poco más de 10,6 pares de bases por turno en el ADN.

Un pequeño genoma cerrado circularmente

El genoma del virus Simian 40 (SV40) es un genoma de ADN bicatenario, circular y cerrado. Para los propósitos de esta discusión, tiene 5300 bases. Esperamos que, en condiciones fisiológicas, el ADN presente 10,6 pares de bases por turno (es decir, un Twist = 10,6 pb / vuelta). En este caso, sin Writhe, el número de enlace sería:

Número de enlace = 5300 pb / (10,6 pb / turno) + 0

Número de enlace = 500 vueltas

es decir, esperaríamos 500 giros de 360 ​​° de las hebras de ADN a lo largo del genoma circular.

  • Esta forma (con 10,6 pares de bases por turno) sin Writhe representa el "estándar", o sin distorsiones, Hélice de ADN.
  • Esto también se conoce como "relajado" forma de ADN, y el dúplex podría disponerse físicamente plano sobre una superficie, ya que no necesita ningún esfuerzo para lograr el valor preferido de 10,6 pares de bases por giro:

Figura 1.6.2: Hélice de ADN estándar

Sin embargo, cuando se completa inicialmente la replicación de SV40, se observa que queda una región dúplex abierta en el ADN:

Figura 1.6.3: ADN con región abierta

El resultado es que hay aproximadamente 475 vueltas de la hélice dentro del ADN dúplex (es decir, el número de enlace = 475).

  • Se dice que el ADN es subwound.
  • Un espacio abierto es energéticamente desfavorable.
  • La molécula cerrada covalentemente no poder ajustar esto aumentando el número de vinculación. Es decir, no puede espontáneamente romper una o ambas hebras del dúplex, introducir otras 25 vueltas en el dúplex (aumentar el número de enlace en 25) y volver a ligar el dúplex.

El ADN tiene Tres opciones:

  1. Puede ajustar el número de pares de bases por turno a lo largo de la molécula desde un deseado 10,6 pb / vuelta a 11,2 pb / vuelta (es decir, 5300 pb / 475 vueltas). (NOTA: un incrementar en el número de pares de bases por turno disminución el valor de torsión; subwound El ADN tiene un mayor número de pares de bases por turno).
  2. El ADN se puede enrollar en una topología de "superenrollamiento" y mantener el valor de torsión deseado (10,6) con el número de enlace dado (475 en este caso).
  3. El dúplex puede existir con un giro de 10,6 pb / vuelta para la mayor parte de la estructura y luego tener una región sin torsión (no necesariamente un dúplex fundido). Esto es bastante desfavorable debido a la geometría requerida de los ángulos de enlace.

Por lo tanto, para el genoma de SV40 de 5300 pb, con un número de enlace de 475, para mantener un valor de 10,6 pb / giro, se necesitan un total de 25 superenrollamientos negativos (Writhe = 25):

475 = (5300 / 10.6) + Escritura

-25 = Retorcerse

  • Es decir, 25 superenrollamientos negativos (veinticinco vueltas de 180 ° del dúplex de ADN, diestro al mirar hacia abajo el superenrollamiento).

Topoisomerasas

Las enzimas que controlan la topología del ADN son fundamentales para la replicación y transcripción del ADN.

  • A medida que se abre la bifurcación de replicación, la región del dúplex delante de la bifurcación se vuelve sobrecargado - es decir, tiene menos pares de bases por turno.
  • El número de enlace no ha cambiado, pero la longitud del ADN que contiene todas las vueltas es efectivamente más corta.
  • Para mantener 10,6 pb / vuelta en esa región, el ADN adoptará superenrollamientos positivos.

Por ejemplo, durante las primeras etapas de la replicación de SV40, el dúplex alrededor del origen de replicación puede fundir (abrir) inicialmente una región de 750 bases. Dado que el número de vinculación (500) no se modifica, se distribuye eficazmente solo entre:

5300 - 750 = 4550 bases.

Suponiendo que no se haya introducido el superenrollamiento:

500 = 4550 pares de bases / (X pares de bases / giro) + 0

= 9.1 pares de bases / giro

Por tanto, si no se introduce el superenrollamiento, el ADN debe adoptar una conformación de 9.01 pares de bases / giro de la hélice dentro de la región por delante de la horquilla de replicación.

  • Esto es energéticamente desfavorable, y una opción para el ADN es adoptar un superenrollado configuración para lograr 10,6 pb / giro:

500 = (4550 / 10,6) + Escritura

70,8 = Retorcerse

  • Por lo tanto, el movimiento de la horquilla de crecimiento hace que el ADN adopte superenrollamientos positivos..
  • En este caso, el ADN ha adoptado 70,8 superenrollamientos zurdos (180 ° cada uno).
  • Twist (= pares de bases * [twist / basepair]) y Writhe son ambos verdadero números.

Topoisomerasa tipo I

  • Las topoisomerasas de tipo I cortan una hebra del ADN (es decir, "corta" el dúplex de ADN).
  • El fosfato 5 'de la hebra mellada se une covalentemente a una tirosina en la proteína.
  • El extremo de 3 'de la muesca pasa una vez a través del dúplex.
  • A continuación, se vuelve a sellar la muesca y el número de vinculación se cambia en un valor de +1.
  • Por lo tanto, esto puede resultar en la eliminación de un solo superenrollamiento negativo.

En E. coli, topoisomerasa tipo I solo puede aliviar el ADN superenrollado negativamente (el superenrollamiento negativo es el resultado final del genoma de ADN recién replicado). En eucariotas, la topoisomerasa tipo I también puede aliviar el ADN superenrollado positivamente.

los resultado neto de E. coli topoI se puede esquematizar de la siguiente manera:

Figura 1.6.4: Topoisomerasa I de E. coli

Topoisomerasas tipo II

  • Las topoisomerasas de tipo II en realidad escinden el ADN dúplex al cambiar el número de ligamiento.
  • Las topoisomerasas de tipo II pueden convertir una sola superenrollamiento positivo en un superenrollamiento negativo.
  • Por lo tanto, el número de vinculación se reduce en dos (-2) en un solo paso.
  • Las topoisomerasas de tipo II están involucradas tanto en la decantación de los cromosomas hijos como en aliviar el superenrollamiento positivo antes de la horquilla de replicación.
  • E. coli ADN girasa es un ejemplo de una topoisomerasa de tipo II.

Figura 1.6.5: Actividad de isomerasa tipo II


Superenrollamiento de ADN, topoisomerasas y cohesina: ¿socios en la regulación de la arquitectura de cromatina?

Aunque nuestro conocimiento de la organización de la cromatina ha avanzado significativamente en los últimos años, aún se desconoce mucho sobre las relaciones entre las diferentes características de la arquitectura del genoma. Se cree que el plegamiento de genomas de mamíferos en dominios espaciales depende de proteínas arquitectónicas, otras proteínas de unión al ADN y diferentes formas de ARN. Además, la evidencia emergente apunta hacia la posibilidad de que la organización tridimensional del genoma esté controlada por la topología del ADN. En este escenario, la cohesina, el factor de unión a CCCTC (CTCF), la transcripción, el superenrollamiento del ADN y las topoisomerasas se integran para dictar diferentes capas de organización del genoma, y ​​la contribución de los cuatro al control génico es una dirección importante de estudios futuros. En esta perspectiva, revisamos estudios recientes que brindan una nueva perspectiva sobre cómo el superenrollamiento del ADN da forma a la estructura de la cromatina.

Palabras clave: CTCF ADN topología cohesina organización del genoma transcripción de topoisomerasa.

Declaracion de conflicto de interes

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Cifras

Captura de conformación de cromatina de genoma completo (Hi-C) ...

La captura de conformación de cromatina de genoma completo (Hi-C) detecta reordenamientos cromosómicos. Descripción general del método Hi-C.…

El genoma 3D y los factores ...

El genoma 3D y factores que contribuyen a su organización. ( A ) En…

El superenrollamiento contribuye a la formación de bucles.…

El superenrollamiento contribuye a la formación de bucles. ( A ) El ADN superenrollado se pliega en plectonémico ...


Topo2008: ADN topoisomerasas en biología y medicina

Las ADN topoisomerasas son un grupo de enzimas fascinantes que juegan un juego esencial pero peligroso con el ADN. Se rompen y vuelven a unir una o ambas hebras de la doble hélice para resolver los problemas de enredos y enlaces que se producen como resultado de las manipulaciones del ADN (replicación, transcripción y recombinación) en todas las células. Este problema básico con la estructura del ADN fue reconocido por Watson y Crick casi tan pronto como se describió la doble hélice (1). A medida que las hebras de ADN parental se separan en una bifurcación de replicación, las vueltas de doble hélice se comprimen y se enrollan por delante de la bifurcación, la tensión de torsión resultante evitará una mayor replicación si no se alivia. Este sobreenrollamiento corresponde al superenrollamiento positivo. Alternativamente, cualquier rotación de la horquilla de replicación conduce al entrelazamiento de las regiones replicadas, lo que finalmente da como resultado el enlace (catenamiento) de los cromosomas hijos, que deben eliminarse si se va a producir la partición sin romper el ADN (2). La transcripción también puede resultar en la generación de superenrollamiento tanto positivo como negativo (3), y otros procesos, particularmente la recombinación, pueden conducir al anudamiento de las hebras de ADN. Estas complejidades del ADN de doble hélice se agrupan bajo la etiqueta de topología de ADN (4). Los problemas topológicos de la hélice de ADN deben haber surgido muy temprano en la evolución, tan pronto como los genomas de ADN se volvieron lo suficientemente largos como para que una simple rotación de toda la molécula para eliminar el superenrollamiento se volviera impracticable.

La única solución viable a estas dificultades es desenroscar, desvincular y desanudar el ADN rompiendo una o ambas hebras, permitiendo que las hebras pasen una a través de la otra o permitiendo la rotación en el punto de ruptura. Estas estrategias son adoptadas por las diferentes clases de enzimas topoisomerasas, descubiertas durante la década de 1970. Las enzimas de tipo I rompen y vuelven a unirse a una hebra de la hélice, y pasan hebras simples entre sí (tipo IA) o permiten que un extremo roto gire alrededor de la hebra intacta (tipo IB). Las enzimas de tipo I pueden eliminar el superenrollamiento del ADN. Por el contrario, las topoisomerasas de tipo II pasan un segmento de doble hélice a través de una rotura de doble hebra en otro, en una reacción dependiente de ATP, y por tanto pueden desvincular (desencadenar) cromosomas enlazados y eliminar nudos. Un subconjunto de estas enzimas, las ADN girasas, pueden introducir un superenrollamiento (desenrollado) negativo en el ADN. La mayoría de los tipos de células expresan un conjunto de enzimas topoisomerasas para regular la topología de su ADN.

Sin embargo, estas manipulaciones de la hélice de ADN tienen un costo: las hebras de ADN rotas deben volver a unirse de manera eficiente para evitar consecuencias graves para la célula. El secuestro de los mecanismos de la topoisomerasa para producir rupturas estables monocatenarias y, en particular, bicatenarias es una característica de una amplia variedad de agentes quimioterapéuticos naturales y sintéticos, lo que hace que las enzimas topoisomerasas sean importantes dianas farmacológicas (5,6).

Durante la década de 1990, hubo reuniones periódicas sobre ADN topoisomerasas en Nueva York y Amsterdam. Sin embargo, en los últimos años estas reuniones terminaron y carecíamos de un foro regular para discutir temas relacionados con la topología del ADN y las topoisomerasas. Felizmente, Nynke Dekker, Paola Arimondo y Mary-Ann Bjornsti organizaron una excelente reunión de topoisomerasa en Fr & # x000e9jus, Francia en 2007. Esto restableció el impulso para reuniones similares en el futuro, incluido Topo2008, que se celebró el año pasado en Norwich, REINO UNIDO. Se están logrando enormes avances en este campo, que sigue siendo un área de investigación fascinante y vibrante. Los temas de la reunión abarcaron desde discusiones sobre las complejidades del anudado del ADN hasta la traducción del trabajo fundamental sobre las topoisomerasas en el descubrimiento de fármacos.

Este número de NAR contiene una colección especial de encuestas y resúmenes que cubren el campo de la topología del ADN y las topoisomerasas del ADN y reflejan el contenido de la reunión de Norwich. Zechiedrich y sus colegas discuten cómo la mala regulación de la topología puede conducir a una disfunción celular y consideran cómo las células pueden prevenir tales problemas topológicos (7). El control del superenrollamiento en células bacterianas ha sido ampliamente estudiado. Dorman y Corcoran discuten estos estudios y los efectos del superenrollamiento sobre la virulencia bacteriana y las enfermedades infecciosas (8). Gadelle y Forterre revisan los orígenes y filogenias de estas enzimas y sugieren que se originaron en una virósfera ancestral (9).

Mondrag & # x000f3n y sus colegas revisan el trabajo estructural de las enzimas de tipo I, lo que ha llevado a una comprensión más profunda de sus mecanismos de reacción (10). Una característica clave de muchas enzimas de tipo I y tipo II es que requieren iones Mg 2+ en sus mecanismos de reacción. Sissi y Palumbo discuten el papel de los iones Mg 2+ en la estructura y función de la topoisomerasa, en particular, un mecanismo propuesto de dos iones metálicos para la escisión del ADN (11). La escisión del ADN en las enzimas de tipo II se produce en una región de la enzima conocida como & # x02018DNA gate & # x02019, y Collins et al. describen el uso de experimentos de transferencia de energía de fluorescencia de una sola molécula para sondear la dinámica de la puerta de ADN de las topoisomerasas de tipo II (12). El mecanismo de ruptura de doble cadena para las enzimas de tipo II tiene importantes implicaciones para el papel de la topoisomerasa II en las células eucariotas, y Roca analiza las implicaciones de este mecanismo en el contexto de la estructura de la cromatina eucariota (13).

La topoisomerasa I bacteriana es un objetivo potencial, aunque actualmente sin explotar, para los agentes antibacterianos. Tse-Dinh analiza la detección de nuevos agentes que se dirijan a esta enzima (14). Deweese y Osheroff consideran la ruptura del ADN y la reacción de unión de las enzimas de tipo II y cómo los compuestos que estabilizan el complejo de escisión de la topoisomerasa II pueden actuar como agentes citotóxicos y utilizarse como fármacos contra el cáncer (15).

Esta colección de revisiones ilustra la amplitud del trabajo de investigación que se está llevando a cabo en el área de la topología del ADN / topoisomerasa, y también destaca algunas de las preguntas sin resolver que quedan. Nos gustaría agradecer a los autores que participaron en la reunión (Topo2008) y contribuyeron a este excelente conjunto de revisiones, que esperamos estimularán un mayor entusiasmo por este campo. Anticipamos que la próxima reunión de esta serie tendrá lugar en 2010 en los EE. UU.


Superenrollamiento de ADN, topoisomerasas y cohesina: ¿socios en la regulación de la arquitectura de cromatina?

Aunque nuestro conocimiento de la organización de la cromatina ha avanzado significativamente en los últimos años, aún se desconoce mucho sobre las relaciones entre las diferentes características de la arquitectura del genoma. Se cree que el plegamiento de genomas de mamíferos en dominios espaciales depende de proteínas arquitectónicas, otras proteínas de unión al ADN y diferentes formas de ARN. Además, la evidencia emergente apunta hacia la posibilidad de que la organización tridimensional del genoma esté controlada por la topología del ADN. En este escenario, la cohesina, el factor de unión a CCCTC (CTCF), la transcripción, el superenrollamiento del ADN y las topoisomerasas se integran para dictar diferentes capas de organización del genoma, y ​​la contribución de los cuatro al control génico es una dirección importante de estudios futuros. En esta perspectiva, revisamos estudios recientes que brindan una nueva perspectiva sobre cómo el superenrollamiento del ADN da forma a la estructura de la cromatina.

Palabras clave: CTCF ADN topología cohesina organización del genoma transcripción de topoisomerasa.

Declaracion de conflicto de interes

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Cifras

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Contenido

En la década de 1970, James C. Wang fue el primero en descubrir una topoisomerasa cuando identificó E. coli topoisomerasa I. Los códigos CE topográficos son los siguientes: Independiente de ATP (tipo I), CE 5.6.2.1 Dependencia de ATP (Tipo II): CE 5.6.2.2.

La función general de la ADN topoisomerasa es controlar el estado topológico del ADN en la célula. Hay dos tipos o familias de esta familia de enzimas tipo I y familia de tipo II. La familia de tipo I pasa una hebra del ADN a través de una ruptura en la hebra opuesta. En otras palabras, la enzima ADN topoisomerasa tipo I escinde solo una hebra de ADN. La familia de tipo II pasa una región de dúplex (dos hebras) de la misma molécula o una molécula diferente a través de un espacio de doble hebra. En resumen, el tipo II escinde ambas hebras de ADN, lo que da como resultado una ruptura de doble hebra. Las topoisomerasas pueden aliviar las superenrollamientos negativos, tanto positivos como negativos, o inducir el superenrollamiento positivo y negativo en el ADN. Las enzimas también pueden promover la catenación (cuando dos cadenas de ADN circulares simples se unen entre sí después de la replicación) y la decantación (la separación de dos cromosomas circulares, cerrados y unidos), y también pueden aliviar el entrelazamiento de cromosomas lineales. [2]

La configuración de doble hélice de las cadenas de ADN hace que sea difícil separarlas, lo que es necesario para las enzimas helicasa si otras enzimas deben transcribir las secuencias que codifican proteínas o si los cromosomas deben replicarse. En el ADN circular, en el que el ADN de doble hélice se dobla y se une en un círculo, las dos hebras están topológicamente unidas o anudadas. De lo contrario, los bucles de ADN idénticos, que tienen diferentes números de torsiones, son topoisómeros y no se pueden interconvertir sin romper las hebras de ADN. Las topoisomerasas catalizan y guían el desanudamiento o desvinculación del ADN [3] mediante la creación de rupturas transitorias en el ADN utilizando una tirosina conservada como residuo catalítico. [1]

La inserción de ADN (viral) en los cromosomas y otras formas de recombinación también pueden requerir la acción de las topoisomerasas.

Las moléculas circulares topológicamente unidas, también conocidas como catenanos, adoptan una forma superenrollada positiva durante el proceso de replicación de los plásmidos circulares. La desvinculación de los catenanos se realiza mediante topoisomerasas de tipo IIA, que recientemente se descubrió que son más eficientes en la desvinculación del ADN superenrollado positivo. Las propiedades conformacionales de los catenanos superenrollados negativos frente a los positivos afectan sus características con respecto a su correspondiente reacción enzimática catalizada por topoisomerasas. Los experimentos han demostrado que el ADN superenrollado positivo proporciona una curva pronunciada del ADN en el primer segmento de ADN unido, lo que permite que la topoisomerasa se una con éxito y, por lo tanto, lleve a cabo su reacción enzimática con el siguiente segmento en una materia específica de adentro hacia afuera. Por otro lado, el ADN superenrollado negativo no proporciona tal curvatura y el acceso de la enzima al primer segmento es casi imposible, por lo que inhibe la desvinculación. [4]

La topoisomerasa también se encuentra en las mitocondrias de las células. [5] Las mitocondrias generan ATP y juegan un papel en la muerte celular programada y el envejecimiento. [6] El ADN mitocondrial de las células animales es un ADN circular de doble hebra que requiere la actividad de la topoisomerasa para ser replicado. Las clases de topoisomerasa que se encuentran en las mitocondrias son I, IIβ, IIIα. [5]

Levadura Editar

Se sabe que las células de levadura utilizan tres topoisomerasas: la topoisomerasa I, de la subfamilia IB, es necesaria para el crecimiento. Proporciona a la bifurcación de replicación la capacidad de avanzar, además de eliminar las superenrollamientos positivos y negativos asociados con la transcripción. La topoisomerasa II de la subfamilia IIA es necesaria para la decantación de los cromosomas enlazados y la preparación para la segregación durante la mitosis. La topoisomerasa II no puede inducir superenrollamientos negativos, pero puede relajar los superenrollamientos positivos y negativos como la topoisomerasa I, y puede reemplazar a la topoisomerasa I si está ausente. La topoisomerasa III de la familia IA se usa para el crecimiento celular. Sin la topoisomerasa III, las tasas de recombinación en la mitosis y la meiosis pueden aumentar, lo que ralentiza el crecimiento de las células. En S. pombe células, III se utiliza para mantener la división celular.

Eucariotas superiores Editar

Los organismos eucariotas superiores son organismos más complejos y normalmente requieren una maquinaria celular más compleja. Estos organismos generalmente tienen una topoisomerasa I, dos topoisomerasas de tipo IIA y dos enzimas de tipo III. La topoisomerasa I ayuda con el movimiento de la horquilla de replicación y relaja las superenrollamientos asociados con la transcripción. También se utiliza para relajar las superenrollamientos solenoidales que se forman cuando los cromosomas se condensan en preparación para la mitosis. Las dos topoisomerasas de tipo IIA, IIα y IIβ, se utilizan para desvincular los dúplex hijos entrelazados, así como para ayudar en la división celular y la supresión de la recombinación, respectivamente. Se cree que los tipos IIIα y IIIβ funcionan en la embriogénesis e interactúan con las helicasas, respectivamente.

Eubacterias Editar

E. coli contiene cuatro ADN topoisomerasas: dos enzimas de tipo IA (I y III) y dos de tipo IIA (ADN girasa y topoisomerasa IV). La ADN topoisomerasa III y IV tienen funciones similares. La topoisomerasa III es incapaz de relajar los superenrollamientos positivos, pero funciona para apoyar el movimiento de la horquilla de replicación en el ADN plasmídico. in vitro. Puede desencadenar el devanado que está sucediendo detrás de la bifurcación de replicación al enfocarse en las muescas en el ADN. La topoisomerasa IV es la enzima decatenizante más eficaz en E. coli. También relaja los superenrollamientos negativos. La ADN girasa utiliza la hidrólisis de ATP para generar un superenrollamiento negativo en los cromosomas bacterianos. Relaja las superenrollamientos positivos antes de la horquilla de replicación y actúa en la condensación cromosómica. Finalmente, la topoisomerasa I ayuda a generar algo de superenrollamiento negativo junto con la topoisomerasa IV y la ADN girasa.

Archaea Editar

Existe un conocimiento limitado sobre las secuencias del genoma de las arqueas. Por lo tanto, también existe un conocimiento limitado sobre las enzimas topoisomerasas. Contienen una girasa inversa, una topoisomerasa de tipo IA y una topoisomerasa VI. Las funciones de las topoisomerasas en arqueas son comparables a las enzimas en eubacterias. La única diferencia digna de mención es que la topoisomerasa VI en las arqueas es responsable de la decantación de los intermedios de replicación del ADN y relaja los superenrollamientos positivos y negativos.

Bacteriófago Editar

El bacteriófago (fago) T4 girasa (topoismerasa de tipo II) es una proteína de múltiples subunidades que consta de los productos de los genes 39, 52 y probablemente 60. Cataliza la relajación del ADN superhélice negativa o positiva y se emplea en la replicación del ADN del fago durante la infección del E. coli huésped bacteriano. Dado que el anfitrión E. coli La ADN girasa puede compensar parcialmente la pérdida de los productos génicos del fago T4; los mutantes defectuosos en los genes 39, 52 o 60 no anulan completamente la replicación del ADN del fago, sino que retrasan su inicio. [7] Los mutantes defectuosos en los genes 39, 52 o 60 muestran un aumento de la recombinación genética, así como un aumento de la sustitución de bases y la mutación por deleción, lo que sugiere que la síntesis de ADN compensada por el huésped es menos precisa que la dirigida por el fago de tipo salvaje. [8] Los mutantes defectuosos en los genes 39, 52 y 60 también tienen una capacidad reducida para llevar a cabo la reactivación de la multiplicidad, una forma de reparación recombinacional que puede hacer frente a diferentes tipos de daños en el ADN. [9]

La topología del ADN son las conformaciones terciarias del ADN, como el superenrollamiento, el anudado y la catenación. La topología del ADN puede verse alterada por la mayoría de los procesos metabólicos: la ARN polimerasa puede causar superenrollamientos positivos al enrollar en exceso el ADN frente a la enzima, y ​​también puede causar superenrollamientos negativos al enrollar el ADN detrás de la enzima. La ADN polimerasa tiene el mismo efecto en la replicación del ADN. El superenrollamiento positivo y negativo equilibra toda la topología global del ADN, por lo que, en general, la topología sigue siendo la misma. Sin embargo, a medida que avanza la horquilla de replicación o transcripción del ADN y aumenta el superenrollamiento positivo, las hebras de ADN se envuelven cada vez más apretadas entre sí, lo que dificulta que la polimerasa avance. Es importante que se alivie la topología local del ADN por delante y por detrás de la polimerasa para que puedan continuar la replicación y la división celular. Para eso se utilizan las ADN topoisomerasas. [10]

Problemas topológicos Editar

Hay tres tipos principales de topología:

Fuera de los procesos esenciales de replicación o transcripción, el ADN debe mantenerse lo más compacto posible, y estos tres estados ayudan a esta causa. Sin embargo, cuando se produce la transcripción o la replicación, el ADN debe estar libre y estos estados dificultan seriamente los procesos. Además, durante la replicación, el dúplex de ADN recién replicado y el dúplex de ADN original se entrelazan y deben separarse por completo para garantizar la integridad genómica a medida que la célula se divide. A medida que avanza una burbuja de transcripción, el ADN delante de la bifurcación de transcripción se sobreenrolla, o positivamente superenrollado, mientras que el ADN detrás de la burbuja de transcripción se vuelve subbobinado o negativamente superenrollado. A medida que ocurre la replicación, el ADN por delante de la burbuja de replicación se vuelve positivamente superenrollado, mientras que el ADN detrás de la horquilla de replicación se enreda formando precatenanes. Uno de los problemas topológicos más esenciales ocurre al final de la replicación, cuando los cromosomas hijos deben desenredarse por completo antes de que ocurra la mitosis. La topoisomerasa IIA juega un papel esencial en la resolución de estos problemas topológicos.

Muchos fármacos actúan a través de la interferencia con las topoisomerasas [11]. Los antibióticos fluoroquinolonas de amplio espectro actúan alterando la función de las topoisomerasas bacterianas de tipo II. Estos inhibidores de moléculas pequeñas actúan como agentes antibacterianos eficientes al secuestrar la capacidad natural de la topoisomerasa para crear rupturas en el ADN cromosómico.

Algunos medicamentos de quimioterapia llamados inhibidores de la topoisomerasa funcionan interfiriendo con las topoisomerasas eucariotas de tipo mamífero en las células cancerosas. Esto induce roturas en el ADN que finalmente conducen a la muerte celular programada (apoptosis). Este efecto dañino del ADN, fuera de sus posibles propiedades curativas, puede conducir a neoplasias secundarias en el paciente. [ cita necesaria ]

La topoisomerasa I es el antígeno reconocido por los anticuerpos Anti Scl-70 en la esclerodermia.

Topoisomerases can fix these topological problems and are separated into two types depending on the number of strands cut in one round of action: [12] Both these classes of enzyme utilize a conserved tyrosine. However these enzymes are structurally and mechanistically different. For a video of this process click here.


Mechanism of action:

Topoisomerase cleaves and ligates DNA in a single reaction and without the use of any energy. But for completion of any biological reaction, energy must require. Than how topoisomerase performs this function without any energy?

Here topoisomerases perform covalent intermediate interaction mechanisms. Topoisomerase interacts as an intermediate between two ends of the broken DNA strand. When a DNA molecule is broken, the phosphodiester bond between the DNA molecule is also broken.

The tyrosine residue of activated topoisomerase attacks directly the phosphodiester bonds of broken DNA. The tyrosine is now bound with the phosphate of the broken DNA strand at -5′ end. The other -3’OH end remains free and held by the topoisomerase domain.

The interaction between tyrosine of active topoisomerase and phosphate of DNA is weak covalent and it conserves energy for rejoining strands. Another strand (in case of topoisomerase I) or another double helix (in case of topoisomerase II) passed through the broken end. Here the free -OH group destroys the weak intermediate covalent bond between phosphate and tyrosine (of topoisomerase) and rejoined with phosphate by a phosphodiester bond.

Topoisomerase is released from the site of action and moves to another site for performing another reaction. Importantly, an energy molecule is not utilized by any topoisomerase. Then what happens with ATP molecule which is consumed by topoisomerase-II? The energy of ATP hydrolysis is used to promote conformational changes in the topoisomerase-DNA complex, not for cleaving and ligating.

Enzyme open bridge

Conformational changes in the shape of the enzyme are very important for relaxing DNA molecules. here the energy from ATP hydrolysis (in the case of topo II) is utilized to perform this function.

In the first step, the enzyme recognizes the DNA molecule as a substrate and binds to it. More specifically, its affinity is higher in the case of supercoiled DNA.

Now in the second step, tyrosine dependent activity leads to create a gap between a DNA strand and covalently binds to phosphate. Here the enzyme opens both the end by making the conformational change in its shape and creates a bridge for another strand to pass through it.

In the next step, the intact DNA strand is passed through it and one special domain of topoisomerase held DNA strand until the bridge is closed and broken DNA stand is joined.

Image credit: “Molecular biology of the gene”, 7th edition by Watson. The image represents different steps of topoisomerase activity and conformational changes in the enzyme.

At last one final time, the enzyme opens up and releases the active site and move to another site. The mechanism is similar in both types of topoisomerase. But topoisomerase-I passes a single strand and topoisomerase-II passes double-stranded DNA.

Additionally, topoisomerase-II is dimeric or tetrameric because it has to work on breaking and ligating both strands of DNA. Energy (in the form of ATP) is required for making conformational changes in these extra domains.

Topoisomerase maintains the speed of replication by unwinding DNA and releasing tension. Supercoiled DNA has twists and writhes which makes it complex. We will discuss twists, writhes, cccDNA, and linking number in the next article.


Ver el vídeo: Superenrollamiento del ADN y topoisomerasas (Diciembre 2022).